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[大理论家] 关于《同步》现象的书摘

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[LV.8]以坛为家I


皮皮 Lv:7
发表于 2021-5-17 16:43:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 库露露法 于 2021-5-17 17:47 编辑

大脑如何产生思维。科学家们在努力去理解人类思想和情感的神经基础,随着技术的进步,当一个人识别一张脸,记忆一个单词或集中注意力时,窃听他的思维成为可能。神经生物学家已经发现,这些认知行为与神经同步的短暂激增有关。其中,数以百万计广泛分布的脑细胞突然开始精确地同步开闭,频率约为40赫兹,然后就像迅速瓦解一般,使得下一个想法或知觉出现。如果这一观点是正确的,那么顿悟的一刻必定是电同步的爆发,即大脑的各个独立部分开始和谐统一的瞬间。
热二定律其中一个推论是:秩序需要能量维持。(这里面仿佛看到了信息与能量的转换关系。爱因斯坦说世界是物质的,而物质是能量;秩序不恰恰是一种信息形式吗?)
实验案例:猫是否将电线杆视为一个整体/
研究人员开展了各类动物实验,从蝗虫到猴子,他们发现,同步的神经活动始终与认知、记忆、知觉的原始形式相关
(例如,区分两种气味的能力,检测一个形状方向的变化的能力)


2001年,于尔根·费尔(Jurgen Fell)和他在德国波恩大学的同事进行的一项相关研究揭示了神经同步短时记忆之间存在一种诱人的关系。他们要求志愿者记忆单词表,记忆完成时用另一项任务短暂地分散受试者的注意力,然后测试他们的回忆程度。同时,在实验的记忆阶段,科学家检测了受试者的海马体和顶叶皮层中神经元的发射模式,该脑区与参与记忆的脑区相邻。这项实验在技术意义上是非凡的,实验中,神经活动是被直接测量的,而不是从脑电波推断。这些受试者都是癫痫病患者,他们的大脑中被植入了电极,以准备即将进行的神经外科手术,这提供了一次不寻常的机会,使我们可以在记忆活动期间直接记录人脑细胞的状态。当然,每名受试者都会记住一些单词,也会遗忘一些,但令人着迷的是,他们的神经元在两种情况下表现不同,在第一眼看到单词时,如果是记住的单词,在看过的1/4秒后,他们大脑的海马体和顶叶皮层之间表现出一阵强烈的同步;但如果是遗忘的单词,则不存在这种同步。夸张地讲,这意味着通过观察某人尝试记忆单词时的脑电波模式,你就可以预测他是否会成功地记住这个单词,因为你可以看到大脑是否失误。目前我们还不清楚如何解释这种同步,它可能只不过是尚待发现的其他更重要的过程所形成的记忆回声——就像打雷是闪电的余震,而非成因。另一方面,也许同步对记忆过程本身是至关重要的,因为与之相关的化学和电学活动会以某种方式让海马体更容易准备好储存或放弃一个新条目。这种可能性在生物学领域是合理的;我们知道,神经元之间的连接在它们一齐发射时会加强,这个原理经常被总结为“同步发射的神经元会串连在一起”。通过触发关键脑区神经元之间的紧密连接,同步会为短时记忆提供帮助。而另一种可能性以及经常隐含在同步发生时的现象是,通过一齐发射,这些神经元从背景喧闹声中脱颖而出,正如在鸡尾酒会中,人们齐声歌唱才能使歌声盖过喧闹声。通过协调自身的电活动,同步神经元会放大自己的信息,使之相对于下游神经元更为突出。

1999年的一项研究中,由弗朗西斯克·瓦雷拉(Francisco Varela)带领的神经学家团队要求志愿者看“穆尼脸”(Mooney faces),他们有所发现。所谓穆尼脸是模糊不清的黑白图像,当垂直观看时,它们仿佛是人脸,但颠倒观看时,它们就变成了毫无意义的斑点。
实验者在计算机屏幕上展示一张穆尼脸图片,要求受试者尽快按下两个按钮中的一个,按下哪个按钮取决于受试者是否从图片中识别出了人脸。同时,受试者的脑电波通过附在头皮上的由30个电极组成的阵列进行监控。
在仔细观察图片约1/4秒后,受试者的脑电波展示出一阵“伽马振荡”,我们已知,伽马振荡是由与视觉过程相关皮质的不同区域的数以百万计的神经元有节律地发射所引发的,其频率约为40赫兹。无论图像是人脸还是斑点,两种情况下都出现了这种集体振荡。它们似乎标记出了感知的时刻,即当思维识别出所看到图像时产生的无意识的“啊哈”瞬间。
但尽管两种条件下的发射速率相似,同步程度却完全不同。只有在观察到人脸时,放电才对准大脑遥远的部分。这里的区别与不和谐的声音与合唱之间的区别相同。当感知到斑 、点时,不同视觉中枢的神经元都以40赫兹的相同步调齐声歌唱,但它 、们毫无同步的希望,结果便是毫无意义的喧闹,这与大脑无法感知形状是一致的。另一方面,当感知到人脸时,神经元不仅以同一步调歌唱,而且时间也是完美的。这表明,不同的特征被整合到了一起,形成了一张完整的人脸形象。大脑中的后续事件同样迷人。在受试者自觉反应并按下一个按钮之前,同步的浪潮就消失了。神经元之间的电学一致性被它自己积极地拆散了,就像士兵们在过桥之前将齐步走改成便步走一样。瓦雷拉和他的同事推测,这种积极的去同步可能是大脑将记录删除干净的方法,以允许另一个神经元合唱团的形成,作为下一个想法或行动的基础。在这个实验中,受试者的下一项行动是产生一个动作反应,按下计算机的一个按键。的确,在展示完一张图像的3/4秒后,这个时间与典型受试者的反应时间密切对应,大脑显示了同步的第二次爆发,这次,同步出现在动作响应所涉及的区域。毫不奇怪,无论是否识别出了人脸,第二轮同步都会出现,因为无论任何情况,受试者都会把按钮按下。


  


相比于单独的约瑟夫森结,同步的约瑟夫森结阵列是更强大的辐射源。例如,如果你能找到一种方法劝诱1 000个结点同相位振荡,那么传递到另一个器件的能量将放大100万倍(联合功率正比于结点数的平方)。可难点之一是找到一种方法来使它们同步。没有人知道电路的最佳结构或负载的最佳种类。事实上,甚至没有人真正知道为什么阵列应该或不应该同步。这是一个根本性的问题,是整个领域的共同障碍。
威森弗尔德和他的合作者清楚,负载的电特性(阻碍电流的方式)很可能是至关重要的。没有负载,结点永远不会同步,它们甚至无法感受到彼此的电子振荡。最简单的负载特性类似于电阻,通过的电流与它两端的电压成正比,或者它的特性可能更像电容(通交流、隔直流)或电感(与电容相反,通直流、隔交流)。在一般情况下,负载可能涉及三种阻抗的组合,根据不同的强度加权,有很多种选择。
通过对上述多种情况进行计算机模拟,科学家绘制出了同步状态的稳定性特征,了解了哪种负载可以最好地同步阵列。但是他们同样也碰到了预料之外的东西,这些东西引人注目、难以忽视。当阵列不同步时,它们通常会陷入一种完全不同的秩序中:所有的结点以相同的周期振荡,但都竭力保持在步调最不一致的状态,仿佛它们互相极力排斥。威森弗尔德团队称这种奇怪的组织模式为反相状态,后来又被称为伸展状态
对于两个结点而言,伸展状态就像惠更斯所观察到的钟摆同步时的现象:钟摆以相同的速率摆动,但两者整整相差半个周期。一个发“嘀”声,同时另一个发“嗒”声。对于两个以上的结点,伸展状态将周期划分为相等的部分。如果有10个结点,它们将执行相同的动作,彼此相隔1/10个周期。它们全都按照相同的方式运动,彼此错开相同的时间。它们可以按照任意次序传递。如果将电子振荡想象为机械振荡的话,那么伸展状态看起来会有点像一排跳舞的机器人,它们全都执行相同的一套动作,但在空间上是任意排列的:机器人可以以任意次序跳舞,每种排序都是一个有效的伸展状态。它们只在空间安排上有所不同,并不是执行的动作或彼此间的时间间隔不同。
阵列越大,序列的空间排列的可能性就越多。数量的增长极为迅速,甚至比指数增长更快,例如5个结点有24种伸展状态,10个结点有32680种伸展状态。威森弗尔德认为,这种爆炸性的增长可能会为未来的约瑟夫森计算机提供存储器体系的结构基础,每个存储器可以被存储为一个不同的伸展状态。相比于0和1的静态集合,伸展状态将以一种动态模式进行编码,即阵列中电子运动的螺旋舞。神经科学家认为,我们对气味的记忆就与之类似,此时的振子是大脑嗅球中的神经元,不同的激发方式编码不同的气味。
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